Ηλεκτρονική Μάθημα V Κυκλώματα ενισχυτών. Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ.

Transcript

1 Ηλεκτρονική Μάθημα V Κυκλώματα ενισχυτών Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος Τμήμα Ε.ΔΙ.Π. Μηχανικών Δρ. Αθανάσιος Παραγωγής Ψωμούλης και Διοίκησης, Δ.Π.Θ. Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ.

2 Θόρυβος - Παρεμβολή Ανεπιθύμητα παραμορφωτικά - παρασιτικά ηλεκτρικά σήματα. Ο θόρυβος θεωρείται ένα τυχαίο ηλεκτρικό σήμα. Στην ηλεκτρονική μας απασχολούν συνήθως δύο είδη θορύβου: ο θερμικός (Johnson-Nyquist noise) - προκαλείται από τη θερμική διέγερση των φορέων σε έναν αγωγό ο θόρυβος βολής (Poisson noise) - οφείλεται σε τυχαίες μεταβολές στη διάχυση των φορέων σε μία επαφή p-n Η παρεμβολή οφείλεται σε ένα συγκεκριμένο ηλεκτρικό σήμα ή διεργασία (π.χ. από το δίκτυο μεταφοράς ενέργειας, από τηλεπικοινωνιακά συστήματα κλπ.) που εισάγει - επάγει ένα παραμορφωτικό - παρασιτικό σήμα στο κύκλωμα που μας ενδιαφέρει.

3 Λόγος σήματος προς θόρυβο SNR = 10 log 10 Psignal P noise (db) Σημαντικός δείκτης της ποιότητας του σήματος.

4 Διαφορική μετάδοση σήματος ορθό σήμα ορθό σήμα με διαταραχή Εκπομπή σήματος διαταραχή Λήψη σήματος διαφορικό σήμα ανεστραμμένο σήμα ανεστραμμένο σήμα με διαταραχή V cm = V 1 V 2 2

5 Διαφορικός ενισχυτής IO=I1I2 V CC VO1=VCC - I1R, ^Vi1=> vvo1, ^VO2 R I 1 I 2 R VO2=VCC - I2R, ^Vi2=> vvo2, ^VO1 V o2 V o1 VO=VO2 - VO1 =R(I1 - I2) 1 2 Q 1 Q 2 = Rg m (V BE1 V BE2 ) I 0 = Rg m (1 2 ) = A v (1 2 ) AV = Rgm = VO/(Vi1 - Vi2) - Κέρδος Διαφορικού Ενισχυτή

6 Παράδειγμα V CC Rx R R R V o2 V o1 Q 1 Q 2 R R I 0

7 Τελεστικός ενισχυτής V CC V V V CC V CC V CC

8 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τελεστικού ενισχυτή V CC Αντίσταση Εισόδου θεωρητικά άπειρη (ρεύμα στις εισόδους θεωρητικά μηδενικό) V 1 V 2 =V 2 -V 1 R i = R o V=G Αντίσταση Εξόδου μικρή Η έξοδος ανάλογη της διαφοράς των τάσεων εισόδου πολλαπλασιασμένη επί ένα θεωρητικά άπειρο κέρδος (AV = ) -V CC AV = G = AOL - κέρδος ανοιχτού βρόγχου VCC, ΑV (V2 - V1) > VCC VO = ΑV (V2 - V1), -VCC < ΑV (V2 - V1) < VCC -VCC, ΑV (V2 - V1) < -VCC

9 Μπλοκ διάγραμμα τελεστικού ενισχυτή Βαθμίδα διαφορικού ενισχυτή Βαθμίδα ενίσχυσης Βαθμίδα εξόδου V CC Q 4 Q 5 Q διαφορικός ενισχυτής Q 1 Q 2 Q 3 ενισχυτής τάσης ενισχυτής ώθησης-έλξης D 1 D 2 Q 6 Q 8 V out -V CC

10 Τρόποι διασύνδεσης εισόδων τελεστικού ενισχυτή Single-Ended Mode Σήμα εφαρμόζεται στην μία μόνο εκ των δύο εισόδων ενώ η άλλη είσοδος γειώνεται. Η τάση εξόδου είναι η αντεσταμμένη, ενισχυμένη είσοδος αν αυτή εφαρμοστηκε στην αναστρεφουσα εισοδο (-) και η κανονική (μη αντεστραμμένη), ενισχυμένη είσοδος αν αυτή εφαρμοστηκε στην μη-αναστρέφουσα είσοδο () Differential Mode (Double-Ended) Σήματα με αντίθετη πολικότητα εφαρμόζονται στις δύο εισόδους Η τάση εξόδου είναι η ενισχυμένη διαφορά των σηματων εισόδου Common Mode Σήματα με ίδιο μέγεθος, ιδια φάση και συχνότητα εφαρμόζονται στις δύο εισόδους Η τάση εξόδου είναι μηδενική

11 Άλλες προδιαγραφές τελεστικού ενισχυτή Τάση εκτροπής εισόδου (input offset voltage): Όταν η διαφορική τάση στην είσοδο είναι μηδενική, αλλά η τάση εξόδου του τελεστικού ενισχυτή είναι μη μηδενική, τότε χρειάζεται να εφαρμόσουμε στη διαφορική είσοδο μία τάση, που ovoμάζεται τάση εκτροπής εισόδου, ώστε να μηδενιστεί η έξοδος. Ρεύμα πόλωσης εισόδου (input bias current): Θεωρητικά στην είσοδο του τελεστικού ενισχυτή δεν πρέπει να υπάρχει καθόλου ροή ρεύματος, λόγω της άπειρης αντίστασης εισόδου. Ωστόσο, απαιτείται ένα μικρό ρεύμα βάσης που θα πολώσει τα τρανζίστορ του διαφορικού ενισχυτή στη βαθμίδα εισόδου. Η τάξη μεγέθους του ρεύματος πόλωσης εισόδου κυμαίνεται από μερικά pa έως μερικά μα (τυπικά 80nA) και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το λεπτομερή σχεδιασμό ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με τελεστικούς ενισχυτές, διότι περιορίζει το μέγεθος των τιμών των αντιστάσεων που επιλέγονται για υλοποίηση της ανάδρασης.

12 Άλλες προδιαγραφές τελεστικού ενισχυτή Ρεύμα εκτροπής εισόδου (input offset current): Αυτό είναι η διαφορά των ρευμάτων πόλωσης των εισόδων του τελεστικού ενισχυτή. Στην ιδανική περίπτωση που τα τρανζίστορ του διαφορικού ενισχυτή στη βαθμίδα εισόδου του τελεστικού ενισχυτή είναι πανομοιότυπα δεν υπάρχει ρεύμα εκτροπής εισόδου, όμως, όπως έχουμε ήδη πει, αυτό δεν είναι σχεδόν ποτέ εφικτό. Ρυθμός ανύψωσης (slew rate): Η μετάβαση της εξόδου από μία τάση 0V στον κορεσμό δε γίνεται ακαριαία αλλά υπάρχει μία καθυστέρηση. Η καθυστέρηση στην απόκριση της εξόδου σε μεταβολές της εισόδου εκφράζεται σε μsec, ενώ η μεταβολή της εξόδου σε V, επομένως ένας καλός δείκτης της καθυστέρησης αυτής είναι η ταχύτητα με την οποία η έξοδος φτάνει στον κορεσμό όταν στην είσοδό της εμφανιστεί βηματικός παλμός. Αυτή ονομάζεται ρυθμός ανύψωσης και εκφράζεται σε V/μsec. Εύρος συχvoτήτωv μovαδιαίoυ κέρδους: Η απόκριση ενός τελεστικού ενισχυτή εξαρτάται από τη συχνότητα του σήματος εισόδου. Η απόκριση αυτή για τις διάφορες συχνότητες λειτουργίας δίνεται στα φύλλα προδιαγραφών ως διάγραμμα Bode του κέρδους αvoικτoύ βρόχου ως προς τη συχνότητα. Από την κλίση του διαγράμματος, η οποία είναι συνήθως 6dB/ οκτάβα, μπορεί να υπολογιστεί το κέρδος αvoικτoύ βρόχου για κάθε συχνότητα του σήματος εισόδου.

13 Λόγος απορριψης κοινού ρυθμού Vo=ΑV (V2 - V1) ΑCM(V2 V1)/2 CMRR = 20 log 10 A v A cm (db) Όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος CMRR τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα του ενισχυμένου διαφορικού σήματος.

14 Παράμετροι/προδιαγραφές εμπορικών τελεστικών ενισχυτών

15 Τελεστικός Ενισχυτής Συνδεσμολογία Ανοιχτού Βρόγχου (χωρίς ανάδραση) Μη Γραμμική λειτουργία - Πολύ μικρή τάση στην είσοδο μπορεί να οδηγήσει (λόγω του πολύ μεγάλου κέρδους ανοιχτού βρόγχου) τον ενισχυτή σε κορεσμό (λειτουργία ως Συγκριτής, Λογαριθμιστής, Ανορθωτής, κλπ.) Αντίσταση εισόδου πολύ μεγάλη, αντίσταση εξόδου μικρή, στενό εύρος συχνοτήτων Συνδεσμολογία Κλειστού Βρόγχου (με ανάδραση / ανατροφοδότηση της εξόδου στην αναστρέφουσα είσοδο) Γραμμική λειτουργία - Το κέρδος κλειστού βρόγχου μπορεί να ελεγθεί / μειωθεί (καθορίζεται από τα εξωτερικά κυκλώματα) Η αντίσταση εισόδου, η αντίσταση εξόδου και το εύρος συχνοτήτων μπορούν να ελεγθούν ανάλογα με τις ανάγκες του κυκλώματος

16 Αναστρέφων Ενισχυτής Παραδοχές: Σχεδόν άπειρη αντίσταση εισόδου -> Μηδενικό ρεύμα εισόδου στην αναστρέφουσα είσοδο -> Μηδενική πτώση τάσης στην αντίσταση εισόδου (μεταξύ της αναστρέφουσας και μή-αναστρέφουσας εισόδου) -> τάση στην αναστρέφουσα είσοδο είναι μηδενική (υπο συνθήκη γείωση - virtual GND)) I 1 = I 2 R 1 R 2 Ο 0V = I 1 R 1 I 1 I 2 0V V o = I 2 R 2 A v = V o = R 2 R 1

17 Παράδειγμα Να σχεδιαστεί ενισχυτική διάταξη με κέρδος Αv = Για την προσέγγιση του προβλήματος μπορώ να χρησιμοποιήσω υλοποίηση με αναστρέφοντα ενισχυτή. Για το κέρδος αρκεί να επιλέξω ένα ζεύγος αντιστάσεων με λόγο 100, ώστε το συνολικό κέρδος να είναι 100. Στο σχήμα παρουσιάζεται μία τέτοια υλοποίηση. 1kΩ 100kΩ

18 Μη αναστρέφων ενισχυτής Παραδοχές: Σχεδόν άπειρη αντίσταση εισόδου -> Μηδενικό ρεύμα εισόδου στην αναστρέφουσα είσοδο -> Μηδενική πτώση τάσης στην αντίσταση εισόδου (μεταξύ της αναστρέφουσας και μή-αναστρέφουσας εισόδου) -> τάση στην αναστρέφουσα είσοδο ιση με την τάση στην μη-αναστρέφουσα είσοδο I 1 = I 2 0V = I 1 R 1 R 1 R 2 Ο I 1 I 2 V o = I 2 R 2 A v = V o =1 R 2 R 1

19 Παράδειγμα Να σχεδιαστεί ενισχυτική διάταξη υψηλής αντίστασης εισόδου με κέρδος Αv = 100. Αν για την προσέγγιση του προβλήματος χρησιμοποιήσω μη αναστρέφοντα ενισχυτή, η αντίσταση εισόδου του είναι η αντίσταση εισόδου του τελεστικού ενισχυτή, συνεπώς θεωρητικά άπειρη. 1kΩ 99kΩ Για το κέρδος αρκεί να επιλέξω ένα ζεύγος αντιστάσεων με λόγο 99, ώστε από τη Σχέση του μη αναστρέφοντος ενισχυτή το συνολικό κέρδος να είναι 100. Στο σχήμα παρουσιάζεται μία τέτοια υλοποίηση.

20 Απομονωτής (Buffer) - Ακόλουθος Τάσης (Voltage follower) Παραδοχές: Σχεδόν άπειρη αντίσταση εισόδου -> Μηδενικό ρεύμα εισόδου στην αναστρέφουσα είσοδο -> Μηδενική πτώση τάσης στην αντίσταση εισόδου (μεταξύ της αναστρέφουσας και μή-αναστρέφουσας εισόδου) -> τάση στην αναστρέφουσα είσοδο ιση με την τάση στην μη-αναστρέφουσα είσοδο (V- = V = Vi) A v = V o =1 Εφαρμογές: Ο συνδυασμός πολύ μεγάλης αντίστασης εισόδου, πολύ μικρής αντίστασης εξόδου και τάσης εξόδου ίσης με την τάση εισόδου (κέρδος κλειστού βρόγχου 1) κάνει το κύκλωμα αυτό κατάλληλο για τη διασύνδεση ενός κύκλώματος με μεγάλη αντίσταση εξόδου σε ένα κύκλωμα με πολύ μικρή αντίσταση εισόδου.

21 Παράδειγμα Στο σχήμα έχουμε ένα διαιρέτη τάσης που αποτελείται από δύο αντιστάσεις 1kΩ και 2kΩ. Παράλληλα στη δεύτερη αντίσταση θέλουμε να συνδέσουμε αντίσταση 10Ω. Η τάση στην αντίσταση 2kΩ είναι 8V λόγω του διαιρέτη. Γιατί χρειάζεται ο απομονωτής για να έχουμε την τάση 8V στο φορτίο; 12V Αρχικά το ρεύμα που έχουμε στο διαιρέτη τάσης είναι 12V/3kΩ = 4mA. 1kΩ Ας υποθέσουμε ότι συνδέουμε το φορτίο απευθείας παράλληλα με την αντίσταση 2kΩ, όπως φαίνεται στο αριστερό σχήμα. Η συνολική αντίσταση θα είναι 1kΩ (2kΩ 10Ω) = 1kΩ. Επομένως το ρεύμα στο διαιρέτη τάσης θα είναι περίπου 12V/1kΩ = 12mA. Αυτό θα περάσει σχεδόν αποκλειστικά από την αντίσταση 10Ω, κάνοντας την πτώση τάση στα άκρα της σχεδόν 120mV και όχι 8V που θέλαμε. Το αποτέλεσμα λοιπόν είναι ότι η μικρή αντίσταση φορτίου θα «ρίξει» την τάση και θα «στεγνώσει» το ρεύμα. Αν τώρα συνδέσουμε έναν απομονωτή, όπως φαίνεται στο δεύτερο σχήμα, τότε το ρεύμα στο διαιρέτη τάσης παραμένει 4mA και δε διακλαδίζεται στο σημείο λήψης του διαιρέτη τάσης, γιατί η αντίσταση εισόδου του τελεστικού ενισχυτή είναι άπειρη. Έτσι η τάση στο σημείο λήψης παραμένει 8V, η οποία μεταφέρεται λόγω του τελεστικού από τη μη αναστρέφουσα στην αναστρέφουσα είσοδο και μέσω της ανάδρασης στην έξοδο και από εκει στο φορτίο. 1kΩ 2kΩ 2kΩ 12V 10Ω 1Ω O 10Ω

22 Παράδειγμα Θυμάστε το κύκλωμα δειγματοληψίας και συγκράτησης που εξετάσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο; Είναι προφανές ότι αν συνδέσουμε οποιοδήποτε φορτίο στην έξοδο του κυκλώματος αυτού μπορεί να αλλοιώσει τη μέτρησή μας. Έτσι στο κύκλωμα που εξετάσαμε αν προσθέσουμε δύο απομονωτές η μέτρησή μας παραμένει στον πυκνωτή CH και από κει στην έξοδο του κυκλώματος για όση ώρα ο διακόπτης FET είναι ανοικτός. V out n C H V ctrl

23 Σύνοψη

24 Αθροιστής (Summing Amplifier) Παραδοχές: Σχεδόν άπειρη αντίσταση εισόδου -> Μηδενικό ρεύμα εισόδου στην αναστρέφουσα είσοδο -> Μηδενική πτώση τάσης στην αντίσταση εισόδου (μεταξύ της αναστρέφουσας και μή-αναστρέφουσας εισόδου) -> τάση στην αναστρέφουσα είσοδο είναι μηδενική (υπο συνθήκη γείωση - virtual GND)) I 1 I 2 = I 3 R 1 1 = I 1 R = I 2 R 2 V o = I 3 R 3 2 I 1 R 2 Ο R 3 I 2 I 3 Vo=-(Ι1 Ι2)R3=-(Vi1/R1 Vi2/R2)R3 αν R 1 = R 2 = R 3 A v = V o 1 2 = 1

25 Παράδειγμα Να υπολογίσετε την έξοδο του παρακάτω κυκλώματος. Το κύκλωμα αποτελείται από δύο θεμελιώδη κυκλώματα: ένα σταθμισμένο αθροιστή και έναν αναστρέφοντα ενισχυτή. Η τάση στην έξοδο του πρώτου κυκλώματος στο σημείο Ν θα είναι: VN = -(1/2 Vi1 1/4 Vi2 1/8 Vi3 1/16 Vi4) Για τον αναστρέφοντα ενισχυτή οι δύο αντιστάσεις είναι ίσες, επομένως η έξοδος είναι: Vo = -VN Συνεπώς η έξοδος του κυκλώματος σε σχέση με τις εισόδους είναι: Vο = 1/2 Vi1 1/4 Vi2 1/8 Vi3 1/16 Vi4 2kΩ 1 4kΩ 2 3 8kΩ 1kΩ Ν 1kΩ 1kΩ 16kΩ 4

26 Παράδειγμα Να αποδειχθεί ότι το παρακάτω κύκλωμα (averaging ampifier) παράγει στην έξοδό του το μέσο όρο των τεσσάρων τάσεων εισόδου.

27 Διαφορικός ενισχυτής Παραδοχές: Σχεδόν άπειρη αντίσταση εισόδου -> Μηδενικό ρεύμα εισόδου στην αναστρέφουσα είσοδο -> Μηδενική πτώση τάσης στην αντίσταση εισόδου (μεταξύ της αναστρέφουσας και μή-αναστρέφουσας εισόδου) -> τάση στην αναστρέφουσα είσοδο ιση με την τάση στην μη-αναστρέφουσα είσοδο (V- = V => VA = VB) R 1 R 2 V A = V B = 2R 4 R 3 R 4 R 2 (R 2 R 1 ) V o = 1 V A = R 1 R 1 R 2 R 4 (R 2 R 1 ) = 1 2 R 1 R 1 (R 3 R 4 ) 1 V A R 3 R 4 2 αν R1=R3 και R2=R4 V B Vo=(Vi2 - Vi1)R2/R1 και AV=Vo/(Vi2 - Vi1)=R2/R1

28 Παράδειγμα Να σχεδιαστεί ένα κύκλωμα που να υπολογίζει τη διαφορά δύο τάσεων. Ο διαφορικός ενισχυτής που εξετάσαμε προηγουμένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία του παρόντος παραδείγματος. Αν το κέρδος του ενισχυτή είναι Αv = 1, τότε Vo =Vi2 Vi1. 1 1kΩ 1kΩ Επιλέγοντας λοιπόν όλες οι αντιστάσεις να έχουν ίδια τιμή μπορούμε να πετύχουμε μοναδιαίο κέρδος. Στο σχήμα παρουσιάζεται μία τέτοια υλοποίηση. 2 1kΩ 1kΩ

29 Ενισχυτής οργανολογίας (Instrumentation Amplifier) Διαφορικός τελεστικός ενισχυτής με μεγάλη αντίσταση εισόδου, υψηλό διαφορικό κέρδος και με υψηλό λόγο απόριψης κοινού ρυθμού (CMRR). Χρησιμοποείται για την ενίσχυση ασθενών σημάτων από αισθητήρια. 1 R 2 R 3 R 1 > R S > R 1 R 2 R 3 2 Av =VO/( Vi2 - Vi1) = (1 2R1/RS)R3 /R2

30 Παράδειγμα B R 2 R 3 Α R AB R BC C R 1 R S R AD D R CD R 1 R 2 R 3 V E

31 Διαφοριστής Αναστρέφων τελεστικός ενισχυτής που χρησιμοποείται για τον υπολογισμό της παραγώγου της τάσης εισόδου. Το ρεύμα του πυκνωτή είναι ανάλογο του ρυθμού μεταβολής της τάσης στα άκρα του (Vi). C Ο R I 1 = I 2 = C d dt = V o = V o R RC d dt I 1 I 2

32 Παράδειγμα Να σχεδιαστεί η κυματομορφή εξόδου για το κύκλωμα διαφοριστή του σχήματος αν στην είσοδο εφαρμοστεί ημιτονοειδές σήμα με συχνότητα 1MHz και πλάτος 1V. 100pF 1kΩ Από την εκφώνηση προκύπτει ότι το σήμα εισόδου είναι της μορφής: Vi = 1V sin(2π10 6 t) άρα η έξοδος του κυκλώματος του διαφοριστή είναι: Vο = -1V 1kΩ 100pF 2π10 6 sec -1 cos(2π10 6 t) = - 628mV cos(2π10 6 t) Στο διπλανό σχήμα παρατηρούμε την κυματομορφή εισόδου και εξόδου το κυκλώματος. Παρατηρούμε ότι η είσοδος ακολουθεί την έξοδο κατά συχνότητα και φάση και διαφέρει μόνο κατά πλάτος. 1V 628mV t t

33 Ολοκληρωτής Αναστρέφων τελεστικός ενισχυτής που χρησιμοποείται για τον υπολογισμό του ολοκληρώματος της τάσης εισόδου. Το ρεύμα του πυκνωτή είναι ανάλογο του ρυθμού μεταβολής της τάσης στα άκρα του (VO). R Ο C I 1 = I 2 = C d( V o) = dtz R 1 V o = dt k RC I 1 I 2 όπου η σταθερά Κ εξαρτάται από την αρχική φόρτιση του πυκνωτή

34 Συγκριτής Μη-γραμμικά κυκλώματα τελεστικού ενισχυτή έχουμε στις περιπτώσεις μή ύπαρξης ανάδρασης ή υλοποίησης με μη γραμμικά στοιχεία. Ο συγκριτής είναι ένα μη-γραμμικό κύκλωμα τελεστικού ενισχυτή λόγω της μη ύπαρξης ανάδρασης. Συγκρίνει τις δύο τιμές τάσης στις εισόδους του και παράγει υψηλή τάση αν η διαφορά τους είναι θετική και χαμηλή τάση αν είναι αρνητική. V o V CC V ref V ref -V CC VCC, ΑV (Vi - Vref) > VCC VO = ΑV (Vi - Vref), -VCC < ΑV (Vi - Vref) < VCC -VCC, ΑV (Vi - Vref) < -VCC

35 Συγκριτής - Λήψη Τάσης Αναφοράς

36 Παράδειγμα Να σχεδιαστεί ένα κύκλωμα που να παράγει τετραγωνικό παλμό από ημιτονοειδές σήμα στην είσοδό του, με τη χρήση τελεστικών ενισχυτών. Η λύση στο πρόβλημα αυτό είναι απλή, περιλαμβάνει ένα μόνο συγκριτή και παρουσιάζεται στο σχήμα. Η τάση αναφοράς στο συγκεκριμένο παράδειγμα είναι η γείωση και επομένως ο συγκριτής αλλάζει κατάσταση κάθε φορά που το σήμα γίνεται από αρνητικό θετικό και το αντίστροφο. Έτσι πετυχαίνουμε ο λόγος διάρκειας του θετικού παλμού προς τη συνολική περίοδο να είναι 50%. Ο λόγος αυτός που μόλις αναφέραμε ονομάζεται κύκλος λειτουργίας (duty cycle) και δεν είναι πάντα 50%, αλλά μπορεί να μεταβάλλεται από 0% έως 100% (οι ακραίες τιμές ισχύουν για dc σήματα). t t

37 Παράδειγμα Αν λοιπόν για παράδειγμα το ημιτονοειδές σήμα έχει πλάτος 5V και ως τάση αναφοράς χρησιμοποιήσουμε την τάση πρόσω πόλωσης μίας απλής διόδου (0,7V) όπως στο παρακάτω σχήμα, τότε ο κύκλος λειτουργίας μεταβάλεται σε 45,55%. Αυτό υπολογίζεται ως εξής: Τα 0,7V για πλήρες πλάτος 5V αντιστοιχούν σε γωνία arcsin(0,7/5) = 0,14rad, τα οποία αντιστοιχούν σε περίπου 8deg. Επομένως σε μία πλήρη περίοδο ο τετραγωνικός παλμός θα είναι θετικός από 8deg έως 172deg. Αυτό σημαίνει ότι ο κύκλος λειτουργίας θα είναι (172deg-8deg)/ 360deg x 100%=45,55% 5V 0,7V t t

38 Επίδραση Θορύβου στη λειτουργία ενός Συγκριτή

39 Σκανδαλιστής Schmitt V o V CC V ltp V utp -V CC R 1 R 2 Ο I 2 I 1

40 Σκανδαλιστής Schmitt R 1 R 2 V o V CC V ltp V ref V utp V ref -V CC

41 Αναστρέφων σκανδαλιστής Schmitt V o V CC V ltp V utp -V CC R 1 R 2

42 Παράδειγμα Η ανίχνευση διάβασης μηδενός είναι χρήσιμη σε εφαρμογές τηλεπικοινωνιών και μηχανοτρονικής ως μετρητής φάσης. Ένας τρόπος κατασκευής ανιχνευτή διάβασης μηδενός είναι με ένα συγκριτή και ένα διαφοριστή. Κάθε φορά που το σήμα στην είσοδο αλλάζει πολικότητα ο συγκριτής μεταβαίνει από θετική κατάσταση κορεσμού σε αρνητική και αντίθετα. Ο διαφοριστής σε σειρά με το συγκριτή παράγει αιχμές (είναι γνωστό ότι η παράγωγος της βηματικής συνάρτησης είναι η κρουστική) κάθε μία από τις οποίες αντιστοιχούν σε μία διάβαση από το μηδέν. V utp t t V ltp t V o V o V o V CC V CC V CC -V CC t -V CC t -V CC t V o V o V o V CC V CC V CC -V CC t -V CC t -V CC t

43 Σούπερ δίοδος V o κλίση 1 D 1

44 Ημιανωρθωτής D 2 R 1 R 2 R 1 R 2 I D D 1 I D D 1

45 Πλήρης ανορθωτής R R D 2 R R 2R D 1

46 Απλός ψαλιδιστής D Ζ R 1 R 2 V o V Z κλίση R 2 /R 1

47 Διπλός ψαλιδιστής D 1 D 2 R 1 R 2 V o V Z κλίση R 2 /R 1 -V Z

48 Λογαρισθμιστής R D R Q I R I D i = I s e qv kt = Is e V V T I R = I D V o = Vo R = I se V T V T ln Vi I s R

49 Αντιλογαριθμιστής D R Q R I D I R i = I s e qv kt = Is e V V T I R = I D V o = I s R e Vi V T

50 Ερωτήσεις Ποια είδη θορύβου απαντάμε σε ηλεκτρονικά κυκλώματα; Τι είναι ο θερμικός θόρυβος; Τι είναι ο θόρυβος βολής; Τι είναι διαφορική μεταφορά σήματος; Πώς ορίζεται η τάση κοινού ρυθμού; Να σχεδιάσετε ένα διαφορικό ενισχυτή με διακριτά στοιχεία και να εξηγήσετε τη λειτουργία του. Τι ονομάζουμε κέρδος διαφορικής ενίσχυσης; Ποιο κύκλωμα ονομάζουμε τελεστικό ενισχυτή, αναφέρατε τα χαρακτηριστικά του. Ποια είναι η τάξη μεγέθους του κέρδους ανοικτού βρόχου τελεστικού ενισχυτή; Γιατί χρησιμοποιούμε ανάδραση στον τελεστικό ενισχυτή;

51 Ερωτήσεις Αναφέρατε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του τελεστικού ενισχυτή. Αναφέρατε τις βασικές βαθμίδες ενός τελεστικού ενισχυτή. Αναφέρατε μερικές από τις προδιαγραφές που αναφέρονται στα φύλλα προδιαγραφών ενός τελεστικού ενισχυτή. Τι είναι το κέρδος κοινού ρυθμού και πώς επηρεάζει το σήμα; Τι είναι ο λόγος απόρριψης κοινού ρυθμού και σε τι μετριέται (αναφέρατε και την εξίσωση ορισμού); Να σχεδιάσετε έναν αναστρέφοντα ενισχυτή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε έναν απομονωτή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε έναν μη αναστρέφοντα ενισχυτή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Πώς μπορούμε να πετύχουμε σταθερό ρεύμα στο φορτίο μας, ανεξάρτητα της τιμής της αντίστασης φορτίου; Να σχεδιάσετε έναν αθροιστή με χρήση τελεστικών ενισχυτών.

52 Ερωτήσεις Να σχεδιάσετε ένα διαφορικό ενισχυτή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε έναν ενισχυτή οργανολογίας με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε έναν ολοκληρωτή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε ένα διαφοριστή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Πώς υλοποιείται ένας συγκριτής διάβασης μηδενός; Τι ρόλο παίζει η τάση αναφοράς στην είσοδο ενός συγκριτή; Τι είναι ο σκανδαλιστής Schmitt και πώς υλοποιείται; Εξηγήστε το φαινόμενο της υστέρησης και το ρόλο που παίζει η θετική ανάδραση για τη δημιουργία της. Δώστε παραδείγματα χρήσης. Πώς υλοποιείται ένας ημιανορθωτής με χρήση τελεστικού ενισχυτή; Πώς υλοποιείται ένας πλήρης ανορθωτής με χρήση τελεστικού ενισχυτή;

53 Ερωτήσεις Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα απλού ψαλιδιστή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα διπλού ψαλιδιστή με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα που υπολογίζει το λογάριθμο με χρήση τελεστικών ενισχυτών. Να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα αντιλογαρίθμισης με χρήση τελεστικών ενισχυτών.

54 Επιπλέον βιβλιογραφία Carter, B., Op Amps for Everyone, 4th edition, Newnes, Burlington, Massachusetts, Horowitz, P. and Hill, W., The Art of Electronics, 2nd Edition, Cambridge University Press, New York, Huijsing, J. Operational Amplifier: Theory and design, 3rd edition, Springer, Switzerland, Irvine R.G., Operational Amplifier: Characteristics and Applications, 2nd Edition, Prentice-Hall Inc., New Jersey, Jung, W.G., Op Amp Applications Handbook, Newnes, Burlington, Massachusetts, Malvino, A. and Bates, D., Electronics Principles, 8th Edition, McGraw-Hill, New York, McWhorter, G. and Evans, A., Basic Electronics, Master Publishing, Richardson, Texas, Rizzoni, G., Principles and Applications of Electrical Engineering, 5th Edition, McGraw-Hill, New York, Senturia, S.D. and Wedlock, B.D., Electronics Circuits and Applications, John Wiley and Sons, New York, 1975.